DE102014102814A1

DE102014102814A1 - Systems and methods for predicting polarization curves in a fuel cell system

Info

Publication number: DE102014102814A1
Application number: DE102014102814.7A
Authority: DE
Inventors: Derek R. Lebzelter; Sriram Ganapathy; Daniel T. Folmsbee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: US8920995B2; CN104051755A; DE102014102814B4; CN104051755B; US20140272652A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren, die verwendet werden können, um eine Leistungsmetrik einer Brennstoffzelle vorherzusagen. Ein System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann Sensoren in Kommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel, ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem und ein Steuerungssystem umfassen. Das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem kann eine Stromdichte auf der Basis von Eingängen, die von den Sensoren bereitgestellt werden, bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmen, einen ersten Parameter berechnen, während die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt, und einen zweiten Parameter berechnen, während die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt. Der erste Parameter und der zweite Parameter können verwendet werden, um selektiv eine Brennstoffzellen-Polarisationskurve mit der Zeit anzupassen. Auf der Basis der Polarisationskurve kann eine Leistungsmetrik des Brennstoffzellenstapels vorhergesagt werden. Das Steuerungssystem kann eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umsetzen.The present disclosure relates to systems and methods that can be used to predict a performance metric of a fuel cell. A system in accordance with the present disclosure may include sensors in communication with the fuel cell stack, a performance metric prediction system, and a control system. The power metric prediction system may determine a current density based on inputs provided by the sensors at a plurality of time periods, calculate a first parameter while the current density is below a lower threshold, and calculate a second parameter while the current density is above an upper threshold. The first parameter and the second parameter may be used to selectively adjust a fuel cell polarization curve over time. On the basis of the polarization curve, a performance metric of the fuel cell stack can be predicted. The control system may implement a control action based on the performance metric.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Vorhersagen einer Brennstoffzellenstapelleistung. Im Spezielleren, aber nicht ausschließlich, betrifft diese Offenbarung Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer Leistungsmetriken, die verwendet werden kann/können, um Parameter für eine erhöhte Effizienz und Leistungsoptimierung eines Brennstoffzellenstapels anzupassen.This disclosure relates to systems and methods for predicting fuel cell stack performance. More particularly, but not exclusively, this disclosure relates to systems and methods for determining one or more performance metrics that may be used to adjust parameters for increased efficiency and performance optimization of a fuel cell stack.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Personenkraftwagen können Brennstoffzellen(FC, vom engl. fuel cell)-Systeme umfassen, um bestimmte Einrichtungen von elektrischen und Kraftübertragungssystemen eines Fahrzeuges zu betreiben. Ein FC-System kann z. B. in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Kraftübertragungskomponenten des Fahrzeuges direkt (z. B. elektrische Antriebsmotoren und dergleichen) und/oder über ein dazwischengeschaltetes Batteriesystem zu betreiben. Ein FC-System kann eine einzige Zelle umfassen oder kann alternativ viele Zellen umfassen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind.Passenger cars may include fuel cell (FC) systems for operating certain vehicle electrical and power transmission systems. An FC system can, for. In a vehicle to directly operate electric power transmission components of the vehicle (eg, electric drive motors and the like) and / or via an intervening battery system. An FC system may comprise a single cell or alternatively may include many cells arranged in a stack configuration.

Wasserstoff ist ein möglicher Brennstoff, der in einem FC-System verwendet werden kann. Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff und kann verwendet werden, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen können selektiv über den Elektrolyt hinweg geleitet werden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.Hydrogen is a potential fuel that can be used in an FC system. Hydrogen is a clean fuel and can be used to efficiently produce electricity in a fuel cell. A hydrogen fuel cell is an electrochemical device comprising an anode and a cathode with an electrolyte therebetween. The anode receives hydrogen gas and the cathode receives oxygen or air. The hydrogen gas is decomposed in the anode to generate free hydrogen protons and electrons. The hydrogen protons can be selectively passed over the electrolyte. The electrons from the anode can not pass through the electrolyte and are therefore passed through a load to do work before being sent to the cathode. The hydrogen protons react with the oxygen and electrons in the cathode to produce water.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen („PEMFC”, von proton exchange membrane fuel cells) können in FC-Fahrzeugen verwendet werden. Eine PEMFC umfasst allgemein eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Eine Anode und eine Kathode, die in einer PEMFC enthalten sind, können fein verteilte katalytische Partikel wie z. B. Platin (Pt) umfassen, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Eine katalytische Mischung kann auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen sein.Proton exchange membrane fuel cells ("PEMFC", proton exchange membrane fuel cells) can be used in FC vehicles. A PEMFC generally comprises a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane such as e.g. B. a perfluorosulfonic acid membrane. An anode and a cathode contained in a PEMFC may contain finely divided catalytic particles such as e.g. Platinum (Pt) supported on carbon particles and mixed with an ionomer. A catalytic mixture may be applied to opposite sides of the membrane.

Die Leerlaufspannung eines typischen FC-Stapels kann über die Lebensdauer des FC-Stapels abnehmen. Eine Spannungsdegradation kann unter anderem auf die zyklische Spannungswechselbeanspruchung der FCs in dem Stapel zurückgeführt werden. Eine zyklische Spannungswechselbeanspruchung findet statt, wenn die Platinkatalysatorpartikel, verwendet werden, um den elektrochemischen Reaktionsübergang zwischen einem Nieder- und einem Hochpotential-Zustand zu verbessern. Der wiederholte Übergang der Katalysatorpartikel begünstigt die Auflösung der Partikel. Die Auflösung der Partikel hat eine Abnahme der aktiven Oberfläche der Partikel und eine Leistungsdegradation zur Folge.The open circuit voltage of a typical FC stack may decrease over the life of the FC stack. Stress degradation can be attributed, inter alia, to the cyclic stress cycling of the FCs in the stack. Cyclic voltage cycling occurs when the platinum catalyst particles are used to enhance the electrochemical reaction transition between a low and a high potential state. The repeated transfer of the catalyst particles favors the dissolution of the particles. The dissolution of the particles results in a decrease in the active surface area of the particles and a performance degradation.

Viele Faktoren einschließlich der Stapel-Spitzenspannung, der Temperatur, der Stapelbefeuchtung, der Dynamik der zyklischen Spannungswechselbeanspruchung etc. können die relative Abnahme der Oberfläche der Platinpartikel im Zusammenhang mit der zyklischen Spannungswechselbeanspruchung beeinflussen. Niedrigere Stapelspannungs-Sollwerte können einen größeren Schutz gegen eine Degradation bieten, aber höhere Stapelspannungs-Sollwerte können eine erhöhte Systemeffizienz bereitstellen.Many factors including stack peak voltage, temperature, stack humidification, cyclic stress cycling, etc., can affect the relative decrease in the surface area of platinum particles associated with cyclic stress cycling. Lower stack voltage setpoints may provide greater protection against degradation, but higher stack voltage setpoints may provide increased system efficiency.

Eine feste Spannung kann verwendet werden, um ein minimales Stapelleistungsniveau festzulegen, um eine unerwünschte zyklische Spannungswechselbeanspruchung zu verhindern. Beispielsweise kann eine typische Spannungsunterdrückungsstrategie einen festen Spannungs-Sollwert verwenden. Wenn ein Brennstoffzellenleistungs-Steuergerät keine Leistung benötigt oder eine minimale Leistung benötigt, kann die von dem Stapel erzeugte Leistung, die notwendig ist, um Zellenspannungsniveaus bei oder unter dem festen Spannungs-Sollwert zu halten, an bestimmte Systeme oder Komponenten bereitgestellt werden, wo die Leistung verwendet oder abgeführt wird. Überschüssige Leistung kann z. B. verwendet werden, um eine Hochspannungsbatterie in einem Fahrzeug mit einem FC-System aufzuladen. Wenn der Spannungs-Sollwert bei einer relativ niedrigen Spannung liegt, kann das System die Batterie häufig aufladen, was zur Folge haben kann, dass die Batterieladung öfter bei ihrer maximalen Ladung liegt als es der Fall wäre, wenn der Spannungs-Sollwert bei einem niedrigeren Niveau eingestellt ist. Wenn sich die Batterie bei ihrer maximalen Ladung befindet und nicht mehr Ladeleistung von dem FC-System aufnehmen kann, kann das Steuergerät bewirken, dass die überschüssige Leistung in anderen Komponenten wie z. B. Widerständen abgeführt wird. Wenn überschüssige Leistung mit Widerständen abgeführt wird, kann die Systemeffizienz darunter leiden. Demzufolge kann das Festlegen eines optimalen Sollwerts die Effizienz eines FC-Stapels verbessern.A fixed voltage can be used to set a minimum stack power level to prevent unwanted cyclic voltage cycling. For example, a typical voltage suppression strategy may use a fixed voltage setpoint. If a fuel cell power controller does not require power or requires minimal power, the power generated by the stack, which is necessary to maintain cell voltage levels at or below the fixed voltage setpoint, may be provided to particular systems or components where the power used or dissipated. Excess power can z. B. can be used to charge a high voltage battery in a vehicle with an FC system. If the voltage setpoint is at a relatively low voltage, the system may charge the battery frequently, which may result in the battery charge being at its maximum charge more often than it would be if the voltage were Setpoint is set at a lower level. If the battery is at its maximum charge and can no longer take charge power from the FC system, the controller may cause the excess power in other components, such as the battery pack, to be removed. B. resistances is dissipated. If excess power is dissipated with resistors, system efficiency may suffer. As a result, setting an optimal setpoint can improve the efficiency of an FC stack.

In einem FC-Stapel können mehrere FCs kombiniert sein, um einen gewünschten Leistungsausgang zu produzieren. Der FC-Stapel kann ein Kathodeneingangsgas aufnehmen, das eine Luftströmung umfassen kann, die durch einen Kompressor durch den Stapel hindurch gezwungen wird. Kathodenabgas kann Wasser als ein Stapelnebenprodukt zusammen mit unverbrauchtem Sauerstoff und anderen Gasen umfassen.In a FC stack, multiple FCs may be combined to produce a desired power output. The FC stack may receive a cathode input gas that may include an airflow forced through the stack by a compressor. Cathode exhaust may include water as a stack by-product along with unconsumed oxygen and other gases.

Die Strom/Spannung-Beziehung des Stapels kann daher als eine Polarisationskurve bezeichnet werden. Ein Stapel-Steuergerät kann Informationen über die Polarisationskurve verwenden, um die Lieferung von Reaktanden an das FC-System in Übereinstimmung mit dem Leistungsbedarf zu planen. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels kann nicht-linear sein und kann durch viele Variable einschließlich der Stapeltemperatur, Stapelpartialdrücke und Kathoden- und Anoden-Stöchiometrien beeinflusst werden. Außerdem kann sich die Beziehung zwischen FC-Stapelstrom und -spannung mit der Zeit ändern, wenn die Stapelleistung degradiert. Anders ausgedrückt kann ein älterer FC-Stapel niedrigere Zellenspannungen aufweisen und es kann demzufolge sein, dass ein älterer FC-Stapel mehr Strom bereitstellen muss als ein neuer, nicht degradierter Stapel, um einen gleichwertigen Leistungsausgang zu produzieren.The current / voltage relationship of the stack can therefore be referred to as a polarization curve. A stack controller may use information about the polarization curve to schedule the delivery of reactants to the FC system in accordance with the power demand. The relationship between the voltage and the current of the stack may be non-linear and may be affected by many variables including stack temperature, stack partial pressures, and cathode and anode stoichiometries. In addition, the relationship between FC stack current and voltage may change over time as stack power degrades. In other words, an older FC stack may have lower cell voltages and, as a result, an older FC stack may need to provide more power than a new, non-degraded stack to produce an equivalent power output.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Hierin sind verschiedene Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer Leistungsmetriken eines FC-Systems offenbart. Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken verwendet werden, um Parameter des FC-Systems für eine erhöhte Effizienz und Leistungsoptimierung anzupassen. Ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem kann eine Vielzahl von Eingängen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen. Die Eingänge können Informationen bezüglich einer Vielzahl von Betriebsbedingungen umfassen, die dem FC-System zugehörig sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können auf der Basis der Eingänge verschiedene Arten von Information gemessen, berechnet oder abgeschätzt werden. Die Eingänge können verwendet werden, um bestimmte Parameter zu berechnen. Gemäß einer Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann ein Parameter bestimmt werden, wenn sich das System bei einer hohen Stromdichte befindet, und ein anderer kann bestimmt werden, wenn sich das System bei einer geringen Stromdichte befindet.Disclosed herein are various systems and methods for determining one or more performance metrics of an FC system. According to the various embodiments, the performance metrics may be used to adjust parameters of the FC system for increased efficiency and performance optimization. A performance metric prediction system may receive a plurality of inputs from a plurality of sensors. The inputs may include information regarding a variety of operating conditions associated with the FC system. According to various embodiments, various types of information may be measured, calculated, or estimated based on the inputs. The inputs can be used to calculate certain parameters. According to an embodiment in accordance with the present disclosure, one parameter may be determined when the system is at a high current density and another may be determined when the system is at a low current density.

Ein FC-Steuerungssystem kann eine oder mehrere Leistungsmetriken verwenden, um Steuerungsaktionen umzusetzen, die einem FC-System zugeordnet sind. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken verwendet werden, um Leistungsdaten des FC-Systems zu optimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken Parameter umfassen, die einer Polarisationskurve zugehordnet sind. Die Leistungsmetriken können mit der Zeit angepasst werden, um eine erhöhte Leistung des FC-Systems zu erzielen.An FC control system may use one or more performance metrics to implement control actions associated with an FC system. According to some embodiments, the performance metrics may be used to optimize performance data of the FC system. According to some embodiments, the performance metrics may include parameters associated with a polarization curve. The performance metrics can be adjusted over time to provide increased performance of the FC system.

Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ausgestaltet sein, um selektiv Stromdichtemessungen während Zeitspannen zu verwerfen, in denen eine Temperaturmessung unter einer spezifizierten Schwelle liegt. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Kühlmitteltemperatur gemessen werden, da die Kühlmitteltemperatur für eine FC-Stapeltemperatur bezeichnend sein kann. Bestimmte FC-Systeme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können wiederholbare Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Stromdichte aufweisen, sobald der FC-Stapel über einer bestimmten Temperatur arbeitet. In diesen Fällen kann die Spannung ungefähr als eine Funktion des Alters und der Stapelstromdichte beschrieben werden, die im Hinblick auf die anpassbaren Parameter ausgedrückt wird. Datenwerte, die gesammelt werden, wenn ein FC-Stapel bei einer Temperatur arbeitet, können gemäß einigen Ausführungsformen verworfen werden, da Leistungsabschätzungen auf der Basis solcher Daten suboptimal sein können.According to some embodiments, a performance metric prediction system may be configured to selectively discard current density measurements during periods when a temperature measurement is below a specified threshold. In certain embodiments, a coolant temperature may be measured because the coolant temperature may be indicative of an FC stack temperature. Certain FC systems in accordance with the present disclosure may have repeatable operating conditions at a given current density as the FC stack operates above a certain temperature. In these cases, the voltage may be described approximately as a function of age and stack current density expressed in terms of the adjustable parameters. Data values collected when an FC stack is operating at a temperature may, according to some embodiments, be discarded because performance estimates based on such data may be sub-optimal.

Bestimmte Ausführungsformen können ein Fehlererkennungssystem in Verbindung mit einer Vielzahl von elektrischen Sensoren umfassen. Das Fehlererkennungssystem kann ausgestaltet sein, um einen Störzustand auf der Basis eines Einganges von einem oder mehreren der Vielzahl von elektrischen Sensoren zu erkennen. Das Fehlererkennungssystem kann verwendet werden, um Fehler zu erkennen, welche Sensoren zugeordnet sind, die z. B. eine Stromdichte, eine Kühlmitteltemperatur, eine Bedeckung mit Platinoxid, eine Spannung oder einen beliebigen anderen Parameter messen, welche für die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren relevant sein können.Certain embodiments may include an error detection system in conjunction with a plurality of electrical sensors. The fault detection system may be configured to detect a fault condition based on input from one or more of the plurality of electrical sensors. The fault detection system can be used to detect faults associated with sensors that are e.g. For example, a current density, a coolant temperature, a platinum oxide coverage, a voltage, or any other parameter that may be relevant to the methods described in the present disclosure.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Mit Bezugnahme auf die Fig. sind nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, welche verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung umfassen, wobei:With reference to the figures, non-limiting and non-exhaustive embodiments of the disclosure are described, which include various embodiments of the disclosure, wherein:

1A ein funktionelles Blockdiagramm eines exemplarischen Fahrzeugsystems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert. 1A FIG. 3 illustrates a functional block diagram of an exemplary vehicle system in accordance with embodiments disclosed herein. FIG.

1B ein Beispiel einer FC-Polarisationskurve in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert. 1B illustrates an example of an FC polarization curve in accordance with embodiments disclosed herein.

2 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Vorhersagen von Leistungsmetriken eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert. 2 FIG. 5 illustrates a flowchart of an exemplary method for predicting performance metrics of an FC system in accordance with embodiments disclosed herein.

3 ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen eines oder mehrerer Parameter eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert. 3 FIG. 10 illustrates a block diagram of a system for determining one or more parameters of an FC system in accordance with embodiments disclosed herein.

4 ein funktionelles Blockdiagramm eines FC-Steuercomputer-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert. 4 Figure 11 illustrates a functional block diagram of an FC control computer system in accordance with embodiments disclosed herein.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, ist die Offenbarung auf keine Ausführungsform beschränkt, sondern schließt vielmehr zahlreiche Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente ein. Außerdem, während in der nachfolgenden Beschreibung viele spezifische Details dargelegt sind, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können einige Ausführungsformen ohne einige oder alle dieser Details ausgeführt werden. Überdies wurde der Klarheit wegen bestimmtes technisches Material, das auf dem technischen Gebiet bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ehe unnötige Verkomplizierung der Offenbarung zu vermeiden.Hereinafter, a detailed description of systems and methods in accordance with embodiments of the present disclosure will be provided. While various embodiments are described, the disclosure is not limited to any embodiment, but rather includes numerous alternatives, modifications, and equivalents. In addition, while many specific details are set forth in the following description in order to provide a thorough understanding of the embodiments disclosed herein, some embodiments may be practiced without some or all of these details. Moreover, for the sake of clarity, certain technical material known in the art has not been described in detail in order to avoid unnecessarily complicating the disclosure.

Die Ausführungsformen der Offenbarung sind am besten durch Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie in den Fig. hierin allgemein beschrieben und illustriert, könnten in einer großen Vielfalt verschiedener Ausgestaltungen eingerichtet und ausgeführt sein. Daher soll die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung den Schutzumfang der Offenbarung, wie beansprucht, nicht einschränken, sondern ist vielmehr repräsentativ für mögliche Ausführungsformen der Offenbarung. Außerdem müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in irgendeiner spezifischen Reihenfolge oder sogar hintereinander ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern nicht anders angegeben.The embodiments of the disclosure are best understood by reference to the drawings, in which like parts may be designated by like reference numerals. The components of the disclosed embodiments, as generally described and illustrated herein in the drawings, could be configured and embodied in a wide variety of different configurations. Therefore, the following detailed description of the embodiments of the systems and methods of the disclosure is not intended to limit the scope of the disclosure as claimed, but rather is representative of possible embodiments of the disclosure. In addition, the steps of a method do not necessarily have to be performed in any specific order or even sequentially, nor do the steps need to be performed only once, unless otherwise specified.

Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren können verwendet werden, um einen oder mehrere Parameter eines FC-Systems zu bestimmen, welche einen maximalen Stromausgang, Parameter, die sich auf die Planung von Stromanforderungen beziehen, Parameter, die sich auf den Betrieb einer Spannungsunterdrückung beziehen, etc. umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können die Systeme und Verfahren einen Polarisationskurven-Prädiktor verwenden. Der Polarisationskurven-Prädiktor kann gemessene und/oder vorhergesagte Eingänge verwenden, um anpassbare Parameter zu optimieren. Die Eingänge können auf Messungen und/oder Berechnungen basieren, die dem FC-System zugehörig sind. Die Eingänge können an oberen und unteren Schwellen der Stromdichte erfasst werden und können verwendet werden, um die FC-Polarisationskurve selektiv mit der Zeit anzupassen.Embodiments of the systems and methods disclosed herein may be used to determine one or more parameters of an FC system having a maximum current output, parameters related to the planning of power requirements, parameters related to the operation of a voltage suppression, etc. include. In certain embodiments, the systems and methods may use a polarization curve predictor. The polarization curve predictor may use measured and / or predicted inputs to optimize adaptive parameters. The inputs may be based on measurements and / or calculations associated with the FC system. The inputs can be detected at upper and lower current density thresholds and can be used to selectively adjust the FC polarization curve with time.

1A illustriert ein funktionelles Blockdiagramm eines exemplarischen Fahrzeugsystems 100 in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das Fahrzeugsystem 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder jede beliebige andere Art von Fahrzeug sein. Außerdem können Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung in ein Brennstoffzellensystem eingebaut werden, das zur Verwendung außerhalb von Fahrzeuganwendungen geeignet ist, wie für Fachleute einzusehen wäre. Das Fahrzeug 100 kann einen FC-Stapel 102 umfassen, der in bestimmten Ausführungsformen mit einem Hochspannungs(„HV”, vom engl. high voltage)-Batteriesystem (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann. Das HV-Batteriesystem kann verwendet werden, um elektrische Kraftübertragungskomponenten zu betreiben. In weiteren Ausführungsformen kann der FC-Stapel 102 mit einer Niederspannungsbatterie gekoppelt sein und kann ausgestaltet sein, um elektrische Energie an eine Vielfalt von Fahrzeug 100-Systemen zu liefern, die z. B. Fahrzeugstartersysteme (z. B. einen Startermotor), Lichtanlagen, Zündanlagen, automatische Klimaanlagen und dergleichen umfassen. 1A illustrates a functional block diagram of an exemplary vehicle system 100 in accordance with embodiments disclosed herein. The vehicle system 100 may be a motor vehicle, a watercraft, an aircraft and / or any other type of vehicle. Additionally, embodiments in accordance with the present disclosure may be incorporated into a fuel cell system suitable for use outside of vehicle applications, as would be appreciated by those skilled in the art. The vehicle 100 can make a FC stack 102 which in certain embodiments may be coupled to a high voltage ("HV") battery system (not shown). The HV battery system may be used to power electrical power transmission components. In further embodiments, the FC stack 102 be coupled with a low voltage battery and can be configured to supply electrical energy to a variety of vehicle 100 To deliver systems that z. As vehicle starter systems (eg., A starter motor), lighting systems, ignition systems, automatic air conditioning and the like.

Der FC-Stapel 102 kann ein FC-Steuerungssystem 104 umfassen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann ausgestaltet sein, um bestimmte Funktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. Das FC-Steuerungssystem 104 kann z. B. ausgestaltet sein, um anpassbare Leistungsparameter und Spannungsunterdrückungsfunktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 kommunikativ mit einer Vielzahl von Sensoren 106 (z. B. Spannungssensoren, Stromsensoren und/oder dergleichen) und/oder anderen Systemen gekoppelt sein, die ausgestaltet sind, um es dem FC-Steuerungssystem 104 zu ermöglichen, Funktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann die Vielzahl von Sensoren 106 in Kommunikation mit dem FC-Stapel 102 das FC-Steuerungssystem 104 mit Informationen versorgen, die verwendet werden können, um eine Polarisationskurve abzuschätzen. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 ausgestaltet sein, um jede Zelle 114 einzeln zu überwachen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann ferner ausgestaltet sein, um Informationen an andere in dem Fahrzeug 100 enthaltenen Systeme bereitzustellen und/oder von dort zu empfangen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann z. B. kommunikativ mit einem internen Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder einem externen Computersystem 110 (z. B. über ein drahtloses Telekommunikationssystem oder dergleichen) gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 zumindest teilweise ausgestaltet sein, um Informationen bezüglich des FC-Stapels 102 an einen Benutzer des Fahrzeuges 100, das Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder das externe Computersystem 110 bereitzustellen – Solche Informationen können z. B. einen maximalen Leistungsausgang unter spezifischen Betriebsbedingungen, eine Kühlmitteltemperatur, Sensordefekte und/oder beliebige andere Informationen bezüglich des FC-Stapels 102 umfassen.The FC stack 102 can be an FC control system 104 include. The FC control system 104 can be configured to perform certain functions of the FC stack 102 to monitor and control. The FC control system 104 can z. For example, it may be configured to provide adaptable performance parameters and voltage suppression functions of the FC stack 102 to monitor and control. In certain embodiments, the FC control system 104 communicative with a variety of sensors 106 (eg, voltage sensors, current sensors, and / or the like) and / or other systems configured to provide it to the FC control system 104 to allow functions of the FC stack 102 to monitor and control. For example, the plurality of sensors 106 in communication with the FC stack 102 the FC control system 104 provide information that can be used to estimate a polarization curve. In certain embodiments, the FC control system 104 be designed to each cell 114 to monitor individually. The FC control system 104 may be further configured to communicate information to others in the vehicle 100 provide and / or receive received systems. The FC control system 104 can z. B. communicatively with an internal vehicle computer system 108 and / or an external computer system 110 (eg via a wireless telecommunication system or the like). In certain embodiments, the FC control system 104 be at least partially configured to information regarding the FC stack 102 to a user of the vehicle 100 , the vehicle computer system 108 and / or the external computer system 110 Such information may e.g. A maximum power output under specific operating conditions, coolant temperature, sensor defects, and / or any other information regarding the FC stack 102 include.

1B illustriert einen Graph, der zwei exemplarische Polarisationskurven zeiht. Die horizontale Achse 124 zeigt die FC-Stapel-Stromdichte und die vertikale Achse 122 zeigt die FC-Stapel-Spannung. Jede Brennstoffzelle innerhalb eines FC-Stapels kann eine andere Polarisationskurve zeigen. Die Polarisationskurve 128 kann für die Polarisationskurve der Brennstoffzelle stehen, welche eine niedrige Zellenspannung (z. B. die niedrigste Zellenspannung) aufweist, während die Polarisationskurve 126 für eine Polarisationskurve einer durchschnittlichen Brennstoffzelle stehen kann. Für jede Zelle kann ein maximaler Leistungsausgang bestimmt werden. Der Punkt 130 steht für die maximale Leistung, die von der durchschnittlichen Zelle in dem FC-Stapel verfügbar ist, während der Punkt 132 für die maximale Leistung steht, die von der Zelle mit der niedrigen Zellenspannung verfügbar ist. Der Strom, der dem Punkt 132 entspricht, ist bei 134 dargestellt, und die Spannung ist bei 138 dargestellt. Ähnlicherweise ist der Strom, der dem Punkt 130 entspricht, bei 136 dargestellt, und die Spannung ist bei 140 dargestellt. 1B illustrates a graph that draws two exemplary polarization curves. The horizontal axis 124 shows the FC stack current density and the vertical axis 122 shows the FC stack voltage. Each fuel cell within a FC stack may show a different polarization curve. The polarization curve 128 may represent the polarization curve of the fuel cell, which has a low cell voltage (eg, the lowest cell voltage) while the polarization curve 126 may represent a polarization curve of an average fuel cell. For each cell a maximum power output can be determined. The point 130 while the dot is the maximum power available from the average cell in the FC stack 132 stands for the maximum power available from the cell with the low cell voltage. The current that the point 132 equals, is at 134 shown, and the voltage is at 138 shown. Likewise, the current is the point 130 corresponds to, at 136 shown, and the voltage is at 140 shown.

Die Polarisationskurven 126, 128 können auf der Basis einer Anzahl von Parametern mathematisch beschrieben werden. Die Parameter können mithilfe einer Vielfalt von hierin beschriebenen Verfahren, Berechnungen und Techniken bestimmt werden. Infolge von Änderungen bei den Parametern können die Steigung, die Konkavität, Wendepunkte und andere Merkmale der Polarisationskurven 126, 128 angepasst werden. Solche Anpassungen können Abschätzungen eines physikalischen Systems verbessern, das durch die Polarisationskurven 126, 128 modelliert wird.The polarization curves 126 . 128 can be described mathematically based on a number of parameters. The parameters may be determined using a variety of methods, calculations, and techniques described herein. As a result of changes in the parameters, the slope, the concavity, inflection points and other features of the polarization curves 126 . 128 be adjusted. Such adjustments can improve estimates of a physical system caused by the polarization curves 126 . 128 is modeled.

2 illustriert ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Vorhersagen von Leistungsmetriken eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das illustrierte Verfahren 200 kann mithilfe zumindest teilweise eines Fahrzeug-Computersystems, eines externen Computersystems, eines FC-Steuerungssystems, eines analogen und/oder digitalen Filtersystems und/oder eines beliebigen anderen geeigneten Systems einschließlich der in Bezug auf die 1A, 3 und 4 beschriebenen Systeme ausgeführt werden. 2 FIG. 12 illustrates a flowchart of an exemplary method for predicting performance metrics of an FC system in accordance with embodiments disclosed herein. The illustrated method 200 may be implemented using at least in part a vehicle computer system, an external computer system, an FC control system, an analog and / or digital filtering system, and / or any other suitable system including those with respect to FIGS 1A . 3 and 4 described systems are executed.

Das Verfahren 200 beginnt bei 202. Bei 204 können eine oder mehrere Leistungsmetriken, welche einem FC-Stapel zugehörig ist/sind, vorhergesagt werden. Eine anfängliche Vorhersage kann auf historischen Daten basieren. Bei 206 können relevante Sensoren validiert werden, und wenn irgendwelche Sensoren einer Störung zugeordnet werden, kann dies zur Folge haben, dass das Verfahren 200 bei 210 keine Anpassung von Parametern vornimmt. Wenn keine Sensoren einer Störung zugeordnet sind, kann das FC-System bei 208 eine Kühlmitteltemperatur messen, um zu bestimmen, ob sie über der entsprechenden Schelle liegt. Wenn die Kühlmitteltemperatur nicht über der spezifizierten Schwelle liegt, können Parameter bei 210 nicht angepasst werden, da bestimmte Vorhersagen genauer sein können, wenn sie auf Daten basieren, die Temperaturmessungen über einer Schwelle zugehörig sind. Wenn die Temperaturmessungen über der Schwelle liegen, kann das FC-System bei 212 eine Stromdichte auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmen.The procedure 200 starts at 202 , at 204 For example, one or more performance metrics associated with an FC stack may be predicted. An initial prediction can be based on historical data. at 206 For example, relevant sensors can be validated, and if any sensors are associated with a malfunction, this can result in the process 200 at 210 does not adjust any parameters. If no sensors are assigned to a fault, the FC system can 208 measure a coolant temperature to determine if it is above the appropriate clamp. If the coolant temperature is not above the specified threshold, parameters may be displayed at 210 can not be adjusted because certain predictions may be more accurate when based on data associated with temperature measurements above a threshold. If the temperature measurements are above the threshold, can the FC system at 212 determine a current density based on at least one of the plurality of inputs at a plurality of time periods.

Bei 214 kann eine Stromdichte mit einer unteren Schwelle verglichen werden und mit einer oberen Schwelle verglichen werden. Wenn sich bei 214 herausstellt, dass die Stromdichte über der unteren Schwelle und unter einer spezifizierten oberen Schelle liegt, können Parameter bei 210 nicht angepasst werden. Anders ausgedrückt kann, wenn die Stromdichte zwischen der unteren Schwelle und der oberen Schwelle liegt, die Messung verworfen werden.at 214 For example, a current density may be compared to a lower threshold and compared to an upper threshold. If at 214 shows that the current density is above the lower threshold and below a specified upper clamp, parameters may be at 210 not be adjusted. In other words, if the current density is between the lower threshold and the upper threshold, the measurement may be discarded.

Wenn eine Stromdichte bei 216 unter der unteren Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 220 fortschreiten. Bei 220 kann das Verfahren 200 bestimmen, ob eine Platinoxidations-Bedeckung eine spezielle Schwelle überschreitet. Die Platinoxid-Bedeckung kann in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden, da ein hoher Wert einen stabilen Betrieb bei geringen Stromdichten anzeigen kann. Wenn die Platinoxid-Bedeckung bei 220 über einer spezifizierten oberen Schwelle liegt, kann bei 222 ein Massenaktivitätsparameter berechnet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Massenaktivitätsparameter mithilfe von Gl. 1 berechnet werden.

wobei

E_rev: das thermodynamisch reversible Potential unter Referenzbedingungen ist;
η_HOR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist;
V_cell: die mittlere Zellenspannungsrückkopplung ist;
i: die Stapelstromdichte ist;
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist;
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist;
R SS / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist; und
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

If a current density at 216 is below the lower threshold, the procedure can 200 to 220 progress. at 220 can the procedure 200 determine if a platinum oxidation coverage exceeds a specific threshold. The platinum oxide coating may be used in certain embodiments since a high value may indicate stable operation at low current densities. When the platinum oxide coverage at 220 above a specified upper threshold, can at 222 a mass activity parameter is calculated. According to some embodiments, the mass activity parameter may be determined using Eq. 1 are calculated.

in which

E _rev: is the thermodynamically reversible potential under reference conditions;
η _HOR: is the hydrogen oxidation-reduction overpotential;
V _cell: is the mean cell voltage feedback;
i: the stack current density is;
R _HFR: the stack HFR average is;
R _PT: the proton resistance in the electrode is;
R SS / MT: the mass transfer coefficient is; and
V _transient: is the transient correction voltage factor.

Auf der Basis der bei 214 und 216 vorgenommenen Bestimmungen erfolgt die Berechnung des Massenaktivitätsparameters während einer ersten Zeitspanne, in der die Stromdichte unter einer Schwelle liegt. Der Massenaktivitätsparameter kann verwendet werden, um eine prädiktive Massenaktivität bei 224 mit der berechneten Massenaktivität anzupassen.On the basis of at 214 and 216 The calculation of the mass activity parameter takes place during a first period in which the current density is below a threshold. The mass activity parameter can be used to provide predictive mass activity 224 to adjust with the calculated mass activity.

Wenn die Stromdichte bei 216 über der oberen Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 218 fortschreiten. Bei 218 kann das Verfahren 200 bestimmen, ob eine Platinoxidations-Bedeckung eine spezielle Schwelle überschreitet. Wenn sich bei 218 herausstellt, dass die Platinoxid-Bedeckung über einer spezifizierten Schwelle liegt, können bei 230 Parameter nicht angepasst werden. Wenn die Platinoxid-Bedeckung unter der Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 226 fortschreiten, wobei ein Stoffaustauschkoeffizient auf der Basis der Zellenspannung und der Betriebsbedingungen berechnet werden kann. Da bei hohem Strom die Dauerbetriebsspannung bei einer niedrigen Platinoxidkonzentration gemessen wird, muss die abgeschätzte Platinoxidkonzentration niedrig sein, damit eine Anpassung stattfindet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Stoffaustauschkoeffizient mithilfe von Gl. 2 bestimmt werden. R Raw / MT = (E_rev – V_cell – η_HOR – η filtd / ORR + V_transient)· 1000 / i – (R_HFR + R_PT) Gl. 2 wobei

E_rev: das thermodynamische reversible Potential bei Referenzbedingungen ist;
V_cell: die mittlere Zellenspannungsrückkopplung ist;
η filtd / ORR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist;
η_HOR: das Kathodenoxidations-Reduktions-Überpotential ist;
i: die Stapelstromdichte ist;
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist;
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist;
R Raw / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist; und
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

When the current density at 216 is above the upper threshold, the procedure can 200 to 218 progress. at 218 can the procedure 200 determine if a platinum oxidation coverage exceeds a specific threshold. If at 218 can prove that the platinum oxide coverage is above a specified threshold can 230 Parameters are not adjusted. If the platinum oxide coverage is below the threshold, the process can 200 to 226 wherein a mass transfer coefficient can be calculated on the basis of cell voltage and operating conditions. Since at high current the steady-state voltage is measured at a low platinum oxide concentration, the estimated platinum oxide concentration must be low for matching to take place. According to some embodiments, the mass transfer coefficient may be calculated using Eq. 2 are determined.

R Raw / MT = (E _rev - V _cell - η _HOR - η filtd / ORR + V _transient ) x 1000 / i - (R _HFR + R _PT ) Eq. 2

in which

E _rev: is the thermodynamic reversible potential at reference conditions;
V _cell: is the mean cell voltage feedback;
η filtd / ORR: is the hydrogen oxidation-reduction overpotential;
η _HOR: is the cathode oxidation-reduction overpotential;
i: the stack current density is;
R _HFR: the stack HFR average is;
R _PT: the proton resistance in the electrode is;
R Raw / MT: the mass transfer coefficient is; and
V _transient: is the transient correction voltage factor.

Das System kann dann bei 228 den prädiktiven Stoffaustauschkoeffizienten mit dem berechneten Stoffaustauschkoeffizient anpassen. Auf der Basis der bei 214 und 216 vorgenommenen Bestimmung kann der bei 226 berechnete Wert auf Messungen basieren, die während einer Zeitspanne beschafft werden, in der die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt. The system can then at 228 adjust the predictive mass transfer coefficient to the calculated mass transfer coefficient. On the basis of at 214 and 216 The determination can be made at 226 calculated value based on measurements taken during a period in which the current density is above an upper threshold.

Zurückkommend auf 204 kann eine Leistungsmetrik vorhergesagt werden, die verwendet werden kann, um Steuerparameter anzupassen und eine Systemleistung zu verbessern. Die Systemleistung kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen durch selektives Umsetzen einer oder mehrerer Steuerungsaktionen auf der Basis der Leistungsmetrik verbessert werden. Eine Steuerungsaktion kann z. B. umfassen, dass eine Leistungsanforderung geplant wird, die Zufuhr von Reaktanden zu einem FC-Stapel geplant wird, ein Sollwert eines Spannungsunterdrückungssystems angepasst wird, etc.Coming back to 204 For example, a performance metric may be predicted that may be used to adjust control parameters and improve system performance. System performance may be improved by selectively implementing one or more control actions based on the performance metric, in accordance with various embodiments. A control action may e.g. These include, for example, scheduling a power request, scheduling the supply of reactants to a FC stack, adjusting a set point of a voltage suppression system, etc.

3 illustriert ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen eines oder mehrerer Parameter eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das System 300 kann ein Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302, ein Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304, ein Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306, ein FC-Spannung-Abschätzmodul 308 und einen Ausgang 318 umfassen. Das Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann eine Vielzahl von Eingängen 310 empfangen. Die Eingänge 310 können eine Kühlmitteleinlasstemperatur, eine Kühlmittelauslasstemperatur, einen Kathodeneinlassdruck, eine Kathodenauslassdruck und ein beliebiges anderes Signal von einer Vielzahl von Sensoren umfassen, die einen Hinweis auf Stapelspannungs- und -strom-Kenndaten bereitstellen können. 3 FIG. 12 illustrates a block diagram of a system for determining one or more parameters of an FC system in accordance with embodiments disclosed herein. The system 300 may be a stack voltage and current characteristic module 302 , a mass activity parameter estimation module 304 , a mass transfer coefficient estimation module 306 , an FC voltage estimation module 308 and an exit 318 include. The stack voltage and current characteristic module 302 can have a variety of inputs 310 receive. The inputs 310 may include a coolant inlet temperature, a coolant outlet temperature, a cathode inlet pressure, a cathode outlet pressure, and any other signal from a plurality of sensors that may provide an indication of stack voltage and current characteristics.

Das Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann eine Vielzahl von Ausgängen erzeugen, die als Eingänge in das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304, das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 und das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 dienen. Die Ausgänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 können unter anderem Berechnungen aktueller Partialdrücke, eine Gleichgewichtsspannung, eine Austauschstromdichte für die Wasserstoffoxidation und eine äquivalente katalytische Erwärmung infolge der Hinzufügung von Wasserstoff zu der Kathode, eine Stromdichte und eine Vielfalt anderer Parameter umfassen.The stack voltage and current characteristic module 302 may generate a plurality of outputs that are inputs to the mass activity parameter estimation module 304 , the mass transfer coefficient estimation module 306 and the FC voltage estimation module 308 serve. The outputs from the stack voltage and current characteristics module 302 These include, but are not limited to, calculations of actual partial pressures, equilibrium voltage, exchange current density for hydrogen oxidation, and equivalent catalytic heating due to the addition of hydrogen to the cathode, current density, and a variety of other parameters.

Das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 kann Eingänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 und von anderen Quellen empfangen. Die Eingänge 312 können für Eingänge 312 von anderen Quellen als dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 stehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eingänge Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von anderen Modulen, welche in 3 nicht illustriert sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Eingänge 312 alle der Eingänge 310 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310 umfassen. Die Eingänge 312 können Stromdichteschwellen, Temperaturschwellen und beliebige andere Parameter oder Konstanten umfassen, die von dem Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 verwendet werden können, sind aber nicht darauf beschränkt.The mass activity parameter estimation module 304 may be inputs from the stack voltage and current characteristics module 302 and received from other sources. The inputs 312 can for inputs 312 from sources other than the stack voltage and current characteristics module 302 stand. According to various embodiments, the inputs may include sensor inputs, constant values, and values other than modules included in 3 not illustrated, calculated, and the like. In some embodiments, the inputs 312 all of the inputs 310 and / or a subset of inputs 310 include. The inputs 312 may include current density thresholds, temperature thresholds, and any other parameters or constants provided by the mass activity parameter estimation module 304 can be used but are not limited thereto.

Unter Verwendung der Eingänge 312, eines Einganges von dem Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 und bestimmten Ausgängen von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 eine Abschätzung eines Massenaktivitätsparameters erzeugen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann der Massenaktivitätsparameter unter Verwendung von Gl. 1 berechnet werden, wie oben im Detail ausgeführt. Des Weiteren kann das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 auch ein gewichtetes Mittelwertschema enthalten, um gemäß einigen Ausführungsformen den Massenaktivitätsparameter als ein Maß der Degradation zu bestimmen. Das gewichtete Mittelwertschema kann auf der Basis bestimmter Eingänge selektiv aktiviert oder deaktiviert werden.Using the inputs 312 , an input from the mass transfer coefficient estimation module 306 and certain outputs from the stack voltage and current characteristics module 302 may be the mass activity parameter estimation module 304 generate an estimate of a mass activity parameter. According to various embodiments in accordance with the present disclosure, the mass activity parameter may be determined using Eq. 1, as detailed above. Furthermore, the mass activity parameter estimation module 304 also include a weighted averaging scheme to determine the mass activity parameter as a measure of degradation, in accordance with some embodiments. The weighted averaging scheme may be selectively enabled or disabled based on particular inputs.

Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 kann Eingänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302, dem Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 und von anderen Quellen 314 empfangen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eingänge 314 Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von anderen Modulen, welche in 3 nicht illustriert sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Eingänge 314 die Eingänge 310, die Eingänge 312 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310 oder der Eingänge 312 umfassen. Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 kann Berechnungen durchführen, um eine Abschätzung eines Stoffaustauschkoeffizienten zu erzeugen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Stoffaustauschkoeffizient auch ein gewichtetes Mittelwertschema enthalten, um den Stoffaustauschkoeffizienten als ein Maß der Degradation zu bestimmen. Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 basiert auf einem Eingang 314.The mass transfer coefficient estimation module 306 may be inputs from the stack voltage and current characteristics module 302 , the mass activity parameter estimation module 304 and from other sources 314 receive. According to various embodiments, the inputs 314 Sensor inputs, constant values, and values from other modules used in 3 not illustrated, calculated, and the like. In some embodiments, the inputs 314 the entrances 310 , the inputs 312 and / or a subset of inputs 310 or the inputs 312 include. The mass transfer coefficient estimation module 306 can perform calculations to generate an estimate of a mass transfer coefficient. According to certain embodiments, the mass transfer coefficient may also include a weighted averaging scheme to determine the mass transfer coefficient as a measure of the degradation. The mass transfer coefficient estimation module 306 based on an entrance 314 ,

Das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 kann Eingänge von dem Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306, dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 und von anderen Quellen empfangen. Die Eingänge 316 können Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von Modulen, welche in 3 nicht gezeigt sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. Die Eingänge 316 können die Eingänge 310, die Eingänge 312, die Eingänge 314 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310, der Eingänge 312 und/oder der Eingänge 314 umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 eine Abschätzung einer FC-Spannung berechnen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 eine Zellenspannung-Rohabschätzung unter Verwendung von Gl. 3 erzeugen.

wobei

E_rev: das thermodynamische reversible Potential bei Referenzbedingungen ist.
η_HOR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist.
η filtd / ORR: das Kathoden-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist.
i: die Stapelstromdichte ist.
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist.
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist.
R SS / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist.
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

The FC voltage estimation module 308 may be inputs from the mass transfer coefficient estimation module 306 , the stack voltage and current characteristics module 302 and received from other sources. The inputs 316 can sensor inputs, constant values and values of modules, which in 3 not shown, and the like. The inputs 316 can the inputs 310 , the inputs 312 , the inputs 314 and / or a subset of inputs 310 , the inputs 312 and / or the inputs 314 include. According to various embodiments in accordance with the present disclosure, the FC voltage estimation module 308 calculate an estimate of a FC voltage. According to some embodiments, the FC voltage estimation module 308 a cell voltage raw estimate using Eq. 3 generate.

in which

E _rev: is the thermodynamic reversible potential at reference conditions.
η _HOR: is the hydrogen oxidation-reduction overpotential.
η filtd / ORR: is the cathode oxidation-reduction overpotential.
i: is the stack current density.
R _HFR: the stack HFR average is.
R _PT: is the proton resistance in the electrode.
R SS / MT: is the mass transfer coefficient.
V _transient: is the transient correction voltage factor.

Der Ausgang des FC-Spannung-Abschätzmoduls 308 kann mit der Zeit angepasst und verfeinert werden, und demzufolge modelliert die Abschätzung der von dem FC-Spannung-Abschätzmodul 308 erzeugten FC-Spannung die Leistung eines physikalischen Systems genauer, dessen Parameter einen oder mehrere Eingänge 310, 312, 314 und 316 bereitstellen können.The output of the FC voltage estimation module 308 can be adjusted and refined over time, and hence the estimate of the FC voltage estimation module models 308 FC voltage generated the performance of a physical system more accurate, whose parameters one or more inputs 310 . 312 . 314 and 316 can provide.

4 illustriert ein Blockdiagramm eines Computer-Systems 400, das bei der Umsetzung bestimmter Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren verwendet werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das Computer-System 400 ein Personal-Computer-System, ein Servercomputer-System, ein eingebauter Fahrzeug-Computer, ein FC-Steuerungssystem, und/oder eine beliebige andere Art von System sein, welches geeignet ist, um die offenbarten Systeme und Verfahren umzusetzen. In weiteren Ausführungsformen kann das Computer-System 400 ein/e beliebige/s tragbare/s elektronisches Computer-System oder elektronische Vorrichtung einschließlich z. B. eines Notebook-Computers, eines Smartphones und/oder eines Tablet-Computers sein. 4 Illustrates a block diagram of a computer system 400 that can be used in the implementation of certain embodiments of the systems and methods disclosed herein. In certain embodiments, the computer system may 400 a personal computer system, a server computer system, a built-in vehicle computer, an FC control system, and / or any other type of system suitable for implementing the disclosed systems and methods. In other embodiments, the computer system 400 any portable electronic computer system or electronic device including e.g. As a notebook computer, a smartphone and / or a tablet computer.

Wie illustriert, kann das Computer-System 400 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 402, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 404, eine Kommunikationsschnittstelle 406, eine Benutzerschnittstelle 408 und ein nicht-transitorisches, computerlesbares Speichermedium 410 umfassen. Der Prozessor 402, das RAM 404, die Kommunikationsschnittstelle 406, die Benutzerschnittstelle 408 und das computerlesbare Speichermedium 410 können über einen gemeinsamen Datenbus 412 kommunikativ miteinander gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computer-Systems 400 mittels Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination daraus implementiert werden.As illustrated, the computer system can 400 including one or more processors 402 , a random access memory (RAM) 404 , a communication interface 406 , a user interface 408 and a non-transitory, computer-readable storage medium 410 include. The processor 402 , the ram 404 , the communication interface 406 , the user interface 408 and the computer-readable storage medium 410 can over a common data bus 412 communicatively coupled with each other. In some embodiments, the different components of the computer system 400 by hardware, software, firmware, and / or any combination thereof.

Die Benutzerschnittstelle 408 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen umfassen, die es einem Benutzer gestatten, mit dem Computer-System 400 zu interagieren. Die Benutzerschnittstelle 408 kann z. B. verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzerschnittstelle 408 kann ein separates Schnittstellensystem sein, das kommunikativ mit dem Computer-System 400 gekoppelt ist, oder kann alternativ ein integriertes System wie z. B. eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle 408 auf einem Touchscreen-Display erzeugt werden. Die Benutzerschnittstelle 408 kann auch eine beliebige Anzahl von anderen Eingabevorrichtungen einschließlich z. B. einer Tastatur, eines Trackballs und/oder Mauszeigervorrichtungen umfassen.The user interface 408 can include any number of devices that allow a user with the computer system 400 to interact. The user interface 408 can z. B. can be used to display a user an interactive interface. The user interface 408 can be a separate interface system that communicates with the computer system 400 coupled, or alternatively, an integrated system such. B. may be a display interface for a laptop or other similar device. In certain embodiments, the user interface 408 be generated on a touchscreen display. The user interface 408 can also be any number of other input devices including z. As a keyboard, a trackball and / or mouse pointer devices.

Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die in der Lage ist, mit anderen Computer-Systemen, Peripheriegeräten und/oder anderen Einrichtungen zu kommunizieren, die mit dem Computer-System 400 kommunikativ gekoppelt sind. Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann es z. B. dem Computer-System 400 gestatten, mit anderen Computer-Systemen (z. B. Computer-Systemen, die externen Datenbanken und/oder dem Internet zugeordnet sind) zu kommunizieren, um die Übertragung wie auch den Empfang von Daten von solchen Systemen zuzulassen. Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder jede andere geeignete Vorrichtung umfassen, die es dem Computer-System 400 ermöglicht, eine Verbindung mit Datenbanken und Netzwerken, wie z. B. LANs, MANs, WANs und dem Internet herzustellen.The communication interface 406 may be any interface that is capable of communicating with other computer systems, peripherals and / or other devices that interfere with the computer system 400 communicatively coupled. The communication interface 406 can it be z. B. the computer system 400 allow to communicate with other computer systems (e.g., computer systems associated with external databases and / or the Internet) to allow the transmission as well as the reception of data from such systems. The communication interface 406 may include, but is not limited to, a modem, a satellite communication system, an ethernet card, and / or any other suitable device that enables the computer system 400 allows you to connect to databases and networks, such as LANs, MANs, WANs and the Internet.

Der Prozessor 402 kann einen oder mehrere Universalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs, andere an Kundenwünsche anpassbare oder programmierbare Verarbeitungsvorrichtungen und/oder (eine) beliebige andere Vorrichtungen oder Anordnung von Vorrichtungen umfassen, die in der Lage sind, die hierin offenbarten Systeme und Verfahren umzusetzen.The processor 402 may include one or more general-purpose processors, application-specific processors, programmable microprocessors, microcontrollers, digital signal processors, FPGAs, other customizable or programmable processing devices, and / or any other device or arrangement capable of having those disclosed herein Implement systems and procedures.

Der Prozessor 402 kann ausgestaltet sein, um computerlesbare Anweisungen auszuführen, die in dem nicht-transitorischen, computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert sind. Das computerlesbare Speichermedium 410 kann je nach Wunsch andere Daten oder Informationen speichern. In einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare Funktionsmodule 414 umfassen. Die computerlesbaren Anweisungen können z. B. ein oder mehrere Funktionsmodule umfassen, welche/s ausgestaltet ist/sind, um die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren umzusetzen. Spezifische Funktionsmodule, die in dem computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert werden können, umfassen ein Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul, ein Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul, ein Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul, ein Zellenspannung-Abschätzmodul, ein Batteriesteuermodul und ein Spannungsunterdrückungsmodul.The processor 402 may be configured to execute computer-readable instructions stored in the non-transitory, computer-readable storage medium 410 are stored. The computer-readable storage medium 410 can save other data or information as desired. In some embodiments, the computer-readable instructions may be computer-executable functional modules 414 include. The computer-readable instructions may e.g. Comprise one or more functional modules configured to implement all or part of the functionality of the systems and methods described above. Specific functional modules included in the computer-readable storage medium 410 can be stored include a stack voltage and current characteristics module, a mass activity parameter estimation module, a mass transfer coefficient estimation module, a cell voltage estimation module, a battery control module, and a voltage suppression module.

Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können unabhängig von der Programmiersprache, die verwendet wird, um die computerlesbaren Anweisungen zu erzeugen, und/oder jedem auf dem Computer-System 400 arbeitenden Betriebssystem umgesetzt werden. Die computerlesbaren Anweisungen können z. B. in jeder geeigneten Programmiersprache geschrieben sein, wobei Beispiele davon C, C++, Visual C++ und/oder Visual Basic, Java, Perl oder jede andere geeignete Programmiersprache umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Des Weiteren können die computerlesbaren Anweisungen und/oder Funktionsmodule in der Form einer Sammlung von separaten Programmen oder Modulen und/oder einem Programmmodul innerhalb eines größeren Programmes oder eines Abschnitts eines Programmmoduls vorhanden sein. Die Verarbeitung von Daten durch das Computer-System 400 kann in Ansprechen auf Benutzerbefehle, Ergebnisse einer vorhergehenden Verarbeitung oder einer von einer anderen Verarbeitungsmaschine gestellten Anfrage erfolgen. Es wird einzusehen sein, dass das Computer-System 400 jedes geeignete Betriebssystem einschließlich z. B. Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux und/oder dergleichen verwenden kann.The systems and methods described herein may be independent of the programming language used to generate the computer-readable instructions and / or any one on the computer system 400 working operating system to be implemented. The computer-readable instructions may e.g. , May be written in any suitable programming language, examples of which include, but are not limited to, C, C ++, Visual C ++, and / or Visual Basic, Java, Perl, or any other suitable programming language. Furthermore, the computer-readable instructions and / or functional modules may be in the form of a collection of separate programs or modules and / or a program module within a larger program or portion of a program module. The processing of data by the computer system 400 may be in response to user commands, results of previous processing, or a request made by another processing machine. It will be appreciated that the computer system 400 any suitable operating system including z. Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux and / or the like.

Claims

System zum Vorhersagen einer Leistungsmetrik eines Brennstoffzellen-(FC-)Stapels, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Sensoren in Kommunikation mit dem FC-Stapel; ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem, welches ausgestaltet ist, um: eine Stromdichte auf der Basis eines Einganges von zumindest einem der Vielzahl von Sensoren bei einer Vielzahl von Zeitspannen zu bestimmen; einen ersten Parameter während einer ersten Zeitspanne zu berechnen, in welcher die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt; einen zweiten Parameter während einer zweiten Zeitspanne zu berechnen, in welcher die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt; selektiv eine FC-Polarisationskurve mit der Zeit auf der Basis des ersten Parameters und des zweiten Parameters anzupassen; eine Leistungsmetrik des FC-Stapels auf der Basis der FC-Polarisationskurve vorherzusagen; und ein Steuerungssystem, welches ausgestaltet ist, um eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umzusetzen.A system for predicting a performance metric of a fuel cell (FC) stack, the system comprising: a plurality of sensors in communication with the FC stack; a performance metric prediction system configured to: determine a current density based on an input of at least one of the plurality of sensors at a plurality of time periods; calculate a first parameter during a first time period in which the current density is below a lower threshold; calculate a second parameter during a second time period in which the current density is above an upper threshold; selectively adjust an FC polarization curve with time based on the first parameter and the second parameter; predict a performance metric of the FC stack based on the FC polarization curve; and a control system configured to implement a control action based on the performance metric.

System nach Anspruch 1, wobei das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ferner ausgestaltet ist, um: einen transienten Parameter auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen von der Vielzahl von Sensoren zu messen; und ferner selektiv die Brennstoffzellen-Polarisationskurve auf der Basis des transienten Parameters anzupassen.The system of claim 1, wherein the performance metric prediction system is further configured to: measure a transient parameter based on at least one of the plurality of inputs from the plurality of sensors; and further, selectively adjusting the fuel cell polarization curve based on the transient parameter.

System nach Anspruch 2, wobei der transiente Parameter auf einem Platinoxid-Modell basiert. The system of claim 2, wherein the transient parameter is based on a platinum oxide model.

System nach Anspruch 1, wobei die Leistungsmetrik eine Maximalleistungsabschätzung umfasst.The system of claim 1, wherein the performance metric comprises a maximum power estimate.

System nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsaktion umfasst, dass eine Leistungsanforderung auf der Basis der Leistungsmetrik geplant wird.The system of claim 1, wherein the control action comprises scheduling a performance request based on the performance metric.

System nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Spannungsunterdrückungssystem; und wobei die Steuerungsaktion umfasst, dass ein Spannungsunterdrückungs-Sollwert auf der Basis der Leistungsmetrik festgesetzt wird.The system of claim 1, further comprising: a voltage suppression system; and wherein the control action comprises setting a voltage suppression target value based on the performance metric.

System nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Vielzahl von Sensoren ausgestaltet ist, um eine Kühlmitteltemperatur zu messen, und das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ausgestaltet ist, um selektiv Stromdichtemessungen während Zeitspannen zu verwerfen, in denen die Kühlmitteltemperatur unter der Kühlmitteltemperaturschwelle liegt.The system of claim 1, wherein at least one of the plurality of sensors is configured to measure a coolant temperature, and the performance metric prediction system is configured to selectively discard current density measurements during periods when the coolant temperature is below the coolant temperature threshold.

System nach Anspruch 1, wobei der erste Parameter einen Massenaktivitätsparameter umfasst, der auf der Basis einer zumindest einem der Vielzahl von Sensoren zugeordneten Spannungsmessung berechnet wird.The system of claim 1, wherein the first parameter comprises a mass activity parameter calculated based on a voltage measurement associated with at least one of the plurality of sensors.

Verfahren zum Vorhersagen einer Leistungsmetrik eines Brennstoffzellen(FC)-Stapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Vielzahl von Eingängen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen wird; eine Stromdichte auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmt wird; ein erster Parameter während einer ersten Zeitspanne berechnet wird, in welcher die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt; ein zweiter Parameter während einer zweiten Zeitspanne berechnet wird, in welcher die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt; selektiv eine Brennstoffzellen-Polarisationskurve mit der Zeit auf der Basis des ersten Parameters und des zweiten Parameters angepasst wird; eine Leistungsmetrik des Brennstoffzellenstapels auf der Basis der Brennstoffzellen-Polarisationskurve vorhergesagt wird; und eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umgesetzt wird.A method of predicting a performance metric of a fuel cell (FC) stack, the method comprising: receiving a plurality of inputs from a plurality of sensors; determining a current density based on at least one of the plurality of inputs at a plurality of time periods; calculating a first parameter during a first time period in which the current density is below a lower threshold; calculating a second parameter during a second time period in which the current density is above an upper threshold; selectively adjusting a fuel cell polarization curve with time based on the first parameter and the second parameter; a performance metric of the fuel cell stack is predicted based on the fuel cell polarization curve; and a control action is implemented on the basis of the performance metric.

Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass: ein transienter Parameter auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen von der Vielzahl von Sensoren gemessen wird; und wobei das selektive Anpassen der Brennstoffzellen-Polarisationskurve ferner auf dem transienten Parameter basiert, wobei der transiente Parameter auf einem Platinoxidmodell basiert.The method of claim 9, further comprising: measuring a transient parameter based on at least one of the plurality of inputs from the plurality of sensors; and wherein selectively adjusting the fuel cell polarization curve is further based on the transient parameter, wherein the transient parameter is based on a platinum oxide model.